Come utilizzare la MRAM per migliorare l'affidabilità, ridurre le latenze e ridurre la potenza per l'edge computing

L'uso dell'edge computing sta crescendo in applicazioni come l'Internet delle cose industriale (IIoT), la robotica, i dispositivi medici, i dispositivi indossabili e portatili, l'intelligenza artificiale e il settore automotive. A questa crescita si aggiunge la necessità di una memoria ad alta velocità, a bassa latenza, non volatile, a bassa potenza e a basso costo per usi come la memorizzazione dei programmi e il backup dei dati. Sebbene siano disponibili molte opzioni, tra cui la memoria statica ad accesso casuale (SRAM), la RAM dinamica (DRAM), la memoria Flash e la memoria programmabile di sola lettura cancellabile elettricamente (EEPROM), ciascuna di queste tecnologie ampiamente utilizzate richiede dei compromessi che le rendono non proprio ideali per l'edge computing.

I progettisti possono ora optare per le memorie ad accesso casuale magnetoresistive (MRAM). I dispositivi MRAM, come suggerisce il nome, salvano i dati in elementi di memorizzazione magnetica e offrono il vero e proprio accesso casuale, consentendo sia la lettura che la scrittura in memoria. La loro struttura e il loro funzionamento sono tali da offrire bassa latenza, basse perdite, alto numero di cicli di scrittura e alta ritenzione dei dati, tutti elementi altamente desiderabili per l'edge computing.

Questo articolo mette brevemente a raffronto le capacità prestazionali delle comuni tecnologie di memoria, tra cui EEPROM, SRAM e Flash con MRAM. Esamina quindi i vantaggi dell'utilizzo delle MRAM in diverse applicazioni per l'edge computing, per poi introdurre dispositivi MRAM specifici di Renesas Electronics, alcuni consigli per l'utilizzo delle MRAM e una piattaforma di valutazione per aiutare i progettisti a muovere i primi passi.

Confronto tra le tecnologie di memoria

I progettisti di applicazioni per l'edge computing hanno la scelta di diverse tecnologie di memoria, ognuna delle quali offre diverse capacità di prestazioni e compromessi (Figura 1). La DRAM fornisce spesso la memoria di lavoro per vari tipi di processori durante l'esecuzione del software. È economica, relativamente lenta (rispetto alla SRAM), consuma una quantità significativa di energia e conserva i dati solo fintantoché c'è corrente. Inoltre, le celle di memoria DRAM sono soggette a danni dovuti alle radiazioni.

La SRAM è più veloce e più costosa della DRAM. Spesso viene utilizzata come memoria cache per i processori, mentre la DRAM fornisce la memoria principale. È più energivora tra le memorie qui descritte e, come la DRAM, è una memoria volatile. Le celle SRAM sono soggette a danni per radiazione e sia le DRAM che le SRAM forniscono alta resistenza.

La EEPROM è una memoria non volatile che utilizza una tensione applicata esternamente per cancellare i dati. Le EEPROM sono lente, hanno una resistenza limitata - in genere fino a un milione di cicli - e sono relativamente energivore. La EEPROM è attualmente quella meno utilizzata tra le tecnologie di memoria qui descritte.

La Flash è una variante della EEPROM, con una capacità di memorizzazione sensibilmente maggiore e con velocità di lettura/scrittura più elevate, ma è ancora relativamente lenta. La Flash è economica e i dati sopravvivono alle condizioni di spegnimento fino a 10 anni. Tuttavia, la Flash è più complessa da usare rispetto ad altre tipologie di memoria. I dati devono essere letti in blocchi e non possono essere letti un byte alla volta. Inoltre, prima di essere riscritte, le celle devono essere cancellate blocco per blocco, non a singoli byte.

La MRAM, dal canto suo, è una vera e propria memoria ad accesso casuale, che consente sia la lettura che la scrittura in modo casuale. La MRAM è inoltre caratterizzata da zero perdite in standby e combina la capacità di sopportare 10¹⁶ cicli di scrittura con una capacità di conservazione dei dati superiore a 20 anni a 85 °C. Attualmente viene offerta in densità che vanno da 4 a 16 Mbit.

La tecnologia MRAM è analoga alla tecnologia Flash con tempi di lettura/scrittura compatibili con la SRAM (la MRAM è talvolta detta SRAM persistente o P-SRAM). Grazie alle sue caratteristiche, la MRAM è particolarmente adatta per applicazioni che devono memorizzare e recuperare i dati con una latenza minima. Combina questa bassa latenza con una bassa potenza, una resistenza infinita, scalabilità e non volatilità. L'immunità intrinseca della MRAM alle particelle alfa la rende adatta anche per i dispositivi che sono regolarmente esposti alle radiazioni.

Figura 1: La MRAM non è volatile come la Flash e la EEPROM e ha tempi di lettura/scrittura compatibili con la SRAM. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics)

Come funziona la MRAM

Come suggerisce il nome, i dati in MRAM sono salvati da elementi di memorizzazione magnetica. Gli elementi sono formati da due piastre ferromagnetiche, ognuna delle quali può contenere una magnetizzazione, separate da un sottile strato isolante. Questa struttura è chiamata giunzione magnetica a effetto tunnel (MTJ). Una delle due piastre è un magnete permanente impostato durante la produzione su una polarità specifica; la magnetizzazione dell'altra piastra può essere modificata per memorizzare i dati. Renesas Electronics ha recentemente aggiunto dispositivi MRAM che utilizzano una coppia di trasferimento della rotazione proprietaria per MRAM (STT-MRAM) che si basa su una giunzione magnetica a effetto tunnel perpendicolare (p-MTJ). La p-MTJ comprende uno strato magnetico fisso e invariabile, uno strato barriera dielettrico e uno strato di memorizzazione ferromagnetico variabile (Figura 2).

Figura 2: La cella di base della STT-MRAM è composta da una MTJ e da un transistor di accesso. (Immagine per gentile concessione di Avalanche Technology)

Durante un'operazione di programmazione, l'orientamento magnetico dello strato di memoria viene commutato elettricamente da uno stato parallelo (stato a bassa resistenza "0") a uno stato antiparallelo (stato ad alta resistenza "1"), o viceversa, a seconda della direzione della corrente che passa per l'elemento p-MTJ. Questi due distinti stati di resistenza sono utilizzati per la memorizzazione e il rilevamento dei dati.

Casi d'uso della MRAM

La registrazione dei dati, le memorie nei nodi IoT, l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale nei dispositivi per edge computing e i tag RFID negli ospedali sono tutti esempi di casi d'uso della MRAM.

I registratori di dati richiedono parecchi megabit di memoria non volatile per accumulare i dati a lungo termine. Sono tipicamente alimentati a batteria, ma possono anche fare affidamento sull'energy harvesting per l'alimentazione, e quindi richiedono una memoria a basso consumo. In caso di perdita di potenza, i dati registrati devono poter essere conservati a tempo indeterminato. La MRAM soddisfa le esigenze prestazionali dei datalogger.

La persistenza della MRAM, combinata con una modalità a bassissimo consumo energetico, porta a una soluzione di memoria unificata per il codice e i dati nei nodi IoT che funzionano da energy harvester o da batterie in fattori di forma estremamente compatti (Figura 3). Il tempo di avvio è spesso una considerazione importante nei nodi IoT. L'implementazione di una struttura di codifica con MRAM può ridurre il tempo necessario per l'avvio, così come il costo complessivo in distinta base, poiché è meno necessaria la DRAM o la SRAM.

Figura 3: Le capacità di velocità, resistenza e conservazione dei dati della MRAM aiutano a soddisfare i requisiti di memoria dei nodi IoT. (Immagine per gentile concessione di Avalanche Technology)

La persistenza offerta dalla MRAM rende anche possibile una nuova generazione di nodi IoT con capacità di apprendimento automatico, dove gli algoritmi di inferenza non devono essere ricaricati ogni volta dopo la riattivazione del dispositivo. L'elaborazione locale comprende l'analisi dei dati dei sensori, la presa di decisioni e, in alcuni casi, anche la riconfigurazione del nodo. Questa intelligenza localizzata richiede una memoria persistente e a bassa potenza. Questi dispositivi possono implementare l'inferenza locale grossolana in tempo reale e utilizzare il cloud per l'analisi avanzata.

La velocità della MRAM è vantaggiosa per l'implementazione dell'apprendimento automatico in dispositivi periferici come i sistemi di pianificazione delle risorse aziendali (ERP), i sistemi di esecuzione della produzione (MES) e i sistemi di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA). In questi sistemi i dati vengono analizzati e i modelli intermedi vengono identificati e condivisi con i domini adiacenti. L'architettura edge richiede una velocità di elaborazione e memoria persistente.

I progettisti possono anche applicare la MRAM ai dispositivi sanitari in cui l'identificazione in radiofrequenza (RFID) può essere vantaggiosa. Il suo basso consumo energetico, combinato con la sua immunità alle radiazioni, la rende adatta agli ambienti ospedalieri. I tag RFID sono utilizzati negli ospedali per molte finalità, tra cui la gestione dell'inventario, la cura e la sicurezza dei pazienti, l'identificazione delle apparecchiature mediche e l'identificazione e il monitoraggio dei materiali di consumo.

Memoria MRAM seriale ad alte prestazioni

I progettisti di sistemi per l'edge computing, compresi i controlli e l'automazione industriale, i dispositivi medici, i dispositivi indossabili, i sistemi di rete, storage/RAID, automotive e la robotica possono utilizzare M30082040054X0IWAY di Renesas (Figura 4). È disponibile in densità da 4 a 16 Mbit. La tecnologia MRAM di Renesas è analoga alla tecnologia Flash con tempi di lettura/scrittura compatibili con la SRAM. I dati sono sempre non volatili con una durata di 10¹⁶ cicli di scrittura e più di 20 anni di conservazione a 85 °C.

Il modello M30082040054X0IWAY è dotato di un'interfaccia periferica seriale (SPI), che elimina la necessità di driver per i dispositivi software. SPI è un'interfaccia seriale sincrona che utilizza linee separate per i dati e il clock, per aiutare a mantenere l'host e lo slave perfettamente sincronizzati. Il clock indica al ricevitore esattamente quando campionare i bit sulla linea dati. Questo può essere il bordo di salita (da basso ad alto) e/o di discesa (da alto a basso) del segnale di clock.

Figura 4: M30082040054X0IWAY offre schemi di protezione dei dati basati su hardware e software. La protezione hardware avviene tramite il pin WP#. La protezione software è controllata dai bit di configurazione nel registro di stato. Entrambi gli schemi inibiscono la scrittura sui registri e sull'array di memoria. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

M30082040054X0IWAY supporta la funzionalità XIP (Execute-in-Place) che permette di completare una serie di istruzioni di lettura e scrittura senza dover caricare individualmente il comando di lettura o scrittura per ogni istruzione. In questo modo, la modalità XIP risparmia sul sovraccarico di comandi e riduce il tempo di accesso in lettura e scrittura casuale.

Il modello M30082040054X0IWAY offre schemi di protezione dei dati basati su hardware e software. La protezione hardware avviene tramite il pin WP#. La protezione software è controllata dai bit di configurazione nel registro di stato. Entrambi gli schemi inibiscono la scrittura sui registri e sull'array di memoria. Ha un array di memoria aumentato di 256 byte che è indipendente dall'array di memoria principale. È programmabile dall'utente e può essere protetto dalla scrittura involontaria.

Per soddisfare ulteriormente le applicazioni a bassa potenza, M30082040054X0IWAY ha due stati di potenza inferiore: spegnimento profondo e ibernazione. I dati non vanno persi mentre il dispositivo si trova in uno di questi due stati a bassa potenza. Inoltre, il dispositivo mantiene tutte le sue configurazioni.

Il dispositivo è disponibile in contenitori a 8 piazzole DFN (WSON) e a 8 pin SOIC. Questi contenitori sono compatibili con prodotti simili a bassa potenza, volatili e non volatili. Viene offerto con intervalli della temperatura di funzionamento industriale (-40 ~ +85 °C) e industriale esteso (-40 ~ +105 °C).

Utilizzo della MRAM

La MRAM può ridurre significativamente il consumo energetico complessivo rispetto ad altre tecnologie di memoria. La quantità di risparmio energetico tuttavia può variare a seconda dei modelli di utilizzo della specifica applicazione. Come altre memorie non volatili, la corrente di scrittura è molto più alta della corrente di lettura o di standby. Di conseguenza, i tempi di scrittura devono essere ridotti al minimo nelle applicazioni critiche per la potenza, specialmente nei progetti che richiedono cicli frequenti di scrittura in memoria. I tempi di scrittura più brevi della MRAM possono attenuare questo problema e ridurre il consumo energetico rispetto ad altre memorie non volatili come la EEPROM o la Flash.

Sono possibili ulteriori risparmi energetici con la MRAM utilizzando l'architettura di un sistema di power gating e mettendo la memoria in standby il più spesso possibile. L'accensione più rapida della MRAM per il tempo di scrittura consente di portarla in standby più frequentemente rispetto ad altre memorie non volatili. Anche il livello di perdita zero della MRAM in standby aiuta in questo caso. Si noti che è spesso necessario un condensatore di disaccoppiamento più grande per sostenere il fabbisogno di energia quando si utilizza il power gating.

Scheda di valutazione MRAM

Per aiutare i progettisti a muovere i primi passi con M30082040054X0IWAY, Renesas fornisce il kit di valutazione M3016-EVK. Questo kit contiene una MRAM a 16 Mbit e permette di sviluppare soluzioni hardware interattive utilizzando la popolare scheda Arduino (Figura 5). Il kit plug-n-play è dotato di una scheda host Arduino e di un software emulatore di terminale che comunica con l'interfaccia USB del PC. La scheda di valutazione si monta sulla scheda host Arduino UNO tramite le basette UNO R3. I programmi di test forniti consentono di valutare rapidamente la funzionalità del dispositivo MRAM.

Figura 5: Il kit di valutazione M3016-EVK si monta sulla parte superiore di una scheda host Arduino UNO per la rapida valutazione delle prestazioni della MRAM. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Conclusione

La progettazione di dispositivi per l'edge computing che utilizzano tecnologie di memoria convenzionali come DRAM, SRAM, Flash ed EEPROM richiede parecchi compromessi che possono limitare le prestazioni. Per l'edge computing, i progettisti possono guardare alle MRAM introdotte di recente che offrono un vero accesso casuale, consentendo sia la lettura che la scrittura in memoria.

Come mostrato, la MRAM supporta le esigenze di memoria dei progettisti di edge computing, tra cui: un dispositivo che deve memorizzare e recuperare i dati senza incorrere in grandi latenze. un basso consumo energetico dovuto a zero perdite quando è in standby e la capacità di sopportare 10¹⁶ cicli di scrittura con una capacità di conservazione dei dati superiore a 20 anni a 85 °C.

Letture consigliate

1. Sistemi di sicurezza intelligenti che utilizzano l'edge computing